基于混合储能的微电网控制策略研究

王坦坦 孙树敏 王楠 赵其浩 高郭冰 王永亮

摘  要： 微电网优化配置中风光出力的随机性和波动性给微电网的并网运行造成不利影响。为了提升不可控电源出力稳定性，减小直流母线电压波动，提高并网点电能质量，针对传统PI控制的不足，提出一种动态响应速度更快、控制效果更好的自抗扰和二阶低通滤波器复合控制混合储能系统策略，并在Matlab环境下搭建微电网仿真模型。结果表明，该策略可以提高系统的动态响应性能，减小直流母线承受的电压冲击，平抑直流母线电压波动，提高并网电能质量，验证了所提出的混合储能控制策略的正确性和可行性。

关键词： 微电网; 混合储能; 二阶低通滤波器; 自抗扰控制; 母线电壓; 平抑波动

中图分类号： TN876?34; TM73                   文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）21?0119?03

Research on microgrid control strategy based on hybrid energy storage

WANG Tantan1， SUN Shumin1， 2， WANG Nan2， ZHAO Qihao1， GAO Guobing1， WANG Yongliang1

（1. Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. Power Research Institute of State Grid Shandong Power Co.， Jinan 250002， China）

Abstract： The randomness and fluctuation of wind and light output in the optimal allocation of microgrid have adverse effects on the grid?connected operation of microgrid. In view of the shortcomings of traditional PI control， a hybrid energy storage system with active disturbance rejection and two?order low?pass filter is proposed to improve the output stability of uncontrollable power supply. The proposed system has faster dynamic response and better control effect. In addition， a simulation model of microgrid is built in Matlab environment. The test results show that the dynamic response performance of the system is improved， the voltage shock borne by the DC bus is reduced， the voltage fluctuation of the DC bus is stabilized and the power quality of grid connection is improved， which verify the correctness and feasibility of the proposed hybrid energy storage control strategy.

Keywords： microgrid; hybrid energy storage; two?stage low?pass filter; auto disturbance rejection control; bus voltage; stabilized fluctuation

0  引  言

光伏发电和风力发电是可再生能源领域中技术较为成熟和有着广阔发展前景的发电技术，但其不可控和随机波动性给电力系统的安全稳定运行带来新的挑战。为了高效利用风光等分布式电源，提高电力系统运行的稳定性，微电网应运而生[1]。

在微电网技术快速发展的背景下，微电网能量管理引发人们的广泛关注。文献[2]采用模糊控制理论在蓄电池和超级电容器之间分配功率，该方法可平抑功率波动，但在充放电状态下采用不同的控制规则和隶属度函数，控制方法较复杂。文献[3]利用高通滤波器把功率高频波动分量作为超级电容储能的功率，剩余分量作为蓄电池储能的功率，可实现两者协同控制，但未考虑初始时刻动态响应速度对母线电压的影响。

近年来，自抗扰控制算法得到了广泛研究。自抗扰控制具有控制结构简单、可估计并补偿不确定的外部干扰、动态响应性能好、控制精度高等优势，已经在机械工程、航空航天领域得到成功应用，但在微电网方面的应用研究较少。文献[4]应用自抗扰控制完成空间机械臂轨迹跟踪任务，并验证了该算法可以适应机械臂模型变化和抵抗系统扰动。文献[5]设计自抗扰控制算法解决无人机系统航向通道扰动大的问题，证实了自抗扰控制精度高和对扰动抑制能力强。为了提高微电网运行的稳定性，提出基于自抗扰和二阶低通滤波器的混合储能系统复合控制策略，并验证了策略的有效性。

1  微电网系统的整体结构

1.1  典型交流微电网结构

交流微电网由交流母线、分布式电源、储能装置、负荷、能量控制系统构成[6]，典型交流微电网整体结构如图1所示。

1.2  混合储能系统结构

微电网需要由储能系统平抑分布式电源输出功率的波动，混合储能系统的结构主要有三类[7]：直接并联、通过电感并联、通过DC/DC变换器并联。在研究中，选择将磷酸铁锂电池和超级电容分别经双向DC/DC变换器并联在直流母线上的方式，实现独立控制磷酸铁锂电池和超级电容的充放电功率，优化混合储能系统出力，系统结构示意图如图2所示。

2  二阶低通滤波器控制研究

为了使混合储能系统输出功率的高频段以更快的速率下降、减少高频分量对波形的影响，改善磷酸铁锂电池工作状态，应用二阶低通滤波器[8]平抑功率波動。第一级低通滤波器实时跟踪微电网中分布式电源发出的功率，滤除所发功率的高频分量，并将其作为超级电容输出电流的参考值。第二级低通滤波器的输入量是第一级低通滤波器的输出量，当第一级低通滤波器输出功率的中低频分量进入可以动态调整滤波时间常数的第二级低通滤波器后，滤除功率中的高频分量，并将其作为磷酸铁锂电池输出电流的参考值，剩余分量为直接并网功率。二阶低通滤波器的结构如图3所示。

3  混合储能自抗扰控制研究

3.1  自抗扰控制基本结构

自抗扰控制[9]（ADRC）技术是将系统内部扰动、外部扰动、传统PID控制不容易处理的非线性问题等构成的复杂因素作为系统总扰动，利用系统的输入和输出构造扩张状态观测器实时估计总扰动，并在反馈控制环节进行补偿。ADRC主要由跟踪微分器（TD）、非线性状态误差反馈控制律（NLSEF）、扩张状态观测器（ESO）、扰动估计补偿组成[10]，整体结构如图4所示。

3.2  双向DC/DC变换器自抗扰控制

传统的双向DC/DC变换器双闭环控制策略为电压外环和电流内环分别采用PI控制器，存在跟踪响应速度慢、超调量大和稳态精度较低等不足，导致输出电压质量不高。本文中双向DC/DC变换器电压外环和电流内环分别采用一阶自抗扰控制器，通过控制电感电流来控制磷酸铁锂电池和超级电容的充放电电流，平抑母线电压波动，提高系统的动态响应性能和抗干扰能力。

3.3  一阶自抗扰控制器设计

令[I*L]，[IL]分别为电流内环的参考信号和采样信号，[V*dc]，[Vdc]分别为电压外环的参考信号和采样信号。一阶自抗扰控制器的设计过程为：

1） 跟踪微分器设计

TD用于根据参考值安排过渡过程，其离散化表达式为：

[v1（k+1）=v1（k）-hr0fal（e1，a，δ）]  （1）

式中：[v1（k）]为[I*L]的跟踪信号;[h]为采样周期;[r0]为速度因子;[fal（e1，a，δ）]为最优控制函数，[a]为非线性因子，[δ]为滤波因子。

非线性函数[fal（e，a，δ）]可以表示为：

[fal（e，a，δ）=sgn（e）ea，    e>δeδ（1-a），    e≤δ]  （2）

2） 扩张状态观测器设计

ESO是根据对象的输出和输入信号实时估计出对象的状态以及作用在对象上的总扰动。根据双向DC/DC变换器的模型设计扩张状态观测器，可以表示为：

[e1=z1（k）-y（k）z1（k+1）=z1（k）+h[z2（k）-β1e1+b0u]z2（k+1）=z2（k）-hβ2fal（e1，a1，δ1）] （3）

式中：[z1（k）]为[IL]的跟踪信号;[z2（k）]为总扰动量;[β1]和[β2]为状态误差反馈增益。

3） 非线性状态误差反馈控制律设计

系统的状态误差是[e1]，误差反馈控制律是根据[e1]控制纯积分器串联型对象的控制规律[u0]。NLSEF用于设计非线性组合生成控制量，不需要积分环节就可实现无差控制。离散型的NLSEF可以表示为：

[e2=v1（k）-z1（k） u0=β3fal（e2，a2，δ2） ]   （4）

式中：[β3]为非线性增益;[a2]为非线性函数[fal]的参数。

4） 补偿扰动分量设计

对扰动估计值进行补偿，控制量为：

[u=u0b0-z3b0] （5）

式中：[u0b0]为控制积分器串联型分量;[z3b0]为补偿扰动分量。

3.4  ADRC和二阶滤波控制的储能系统

磷酸铁锂电池?超级电容混合储能系统采用基于自抗扰和二阶低通滤波器的控制策略。电流内环自抗扰负责快速跟踪电流参考值，提高动态响应性能，电压外环自抗扰负责维持直流母线电压稳定，提高抗干扰的能力。控制系统的框图如图5所示。

4  算例仿真分析

在Matlab/Simulink环境下搭建基于自抗扰和二阶低通滤波器控制的风/光/混合储微电网仿真模型，分别对传统PI控制和ADRC控制两种不同控制方式下的微电网系统进行仿真研究，截取仿真时间段0～2 s，仿真结果如图6所示。

从图6a）和图6b）的对比中可知，传统PI控制下的风/光/混合储微电网的直流母线电压约经过0.53 s的震荡才能达到设定值，而ADRC控制策略下的直流母线电压约经过0.36 s就可达到设定值，所提控制策略下的母线电压设定值响应时间提前了32%。因此，自抗扰控制同传统PI控制相比具有更快的动态响应速度和更高的精度，可以平抑仿真初始时刻直流母线承受的电压冲击及仿真过程中的电压波动。

5  结  语

混合储能系统对微电网的安全稳定运行和能量瞬时平衡具有重要作用，本文通过提出混合储能系统自抗扰和二阶低通滤波复合控制策略，构建了风/光/混合储微电网仿真模型，结果表明所提策略可以提高系统的动态响应性能，减少直流母线电压的冲击和波动，增强微电网运行的稳定性。

注：本文通讯作者为孙树敏。

参考文献

[1] 孟明，陈世超，赵树军，等.新能源微电网研究综述[J].现代电力，2017，34（1）：1?7.

[2] 丁明，林根德，陈自年，等.一种适用于混合储能系统的控制策略[J].中国电机工程学报，2012，32（7）：1?6.

[3] 张茜.蓄电池和超级电容混合储能系统控制策略研究[J].电气应用，2018，37（1）：20?23.

[4] 刘福才，梁利环，高娟娟，等.不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制[J].控制理论与应用，2014，31（3）：352?360.

[5] 方勇纯，申辉，孙秀云，等.无人直升机航向自抗扰控制[J].控制理论与应用，2014，31（2）：238?243.

[6] 李佳.基于V2G的单相微电网电压调节策略研究[D].西安：西安理工大学，2015.

[7] 杨涛.风光储微电网复合储能控制策略研究[D].太原：山西大学，2016.

[8] 吴铁洲，王越洋，张颂冀.混合储能平抑微电网功率波动方法研究[J].电气应用，2017，36（21）：16?21.

[9] 李家豪，孙洪飞.自抗扰控制技术的改进和应用[J].厦门大学学报（自然科学版），2018，57（5）：695?701.

[10] 陈增强，刘俊杰，孙明玮.一种新型控制方法：自抗扰控制技术及其工程应用综述[J].智能系统学报，2018，13（6）：865?877.

作者简介：王坦坦（1993—），男，山东滨州人，硕士研究生，研究方向为电力电子与新能源发电技术。

孙树敏（1968—），男，山东济南人，高级应用研究员，主要从事电机与节能、新能源发电并网、电力电子技术研究工作。